“地下水動力學”線上線下混合式教學改革與實踐

曾獻奎，祝曉彬，吳吉春

（南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

引言

地下水動力學是研究地下水在含水介質中的運動規律的科學，其宗旨在于定量刻畫水流和污染物在含水介質中的運動狀態與過程，從而為地下水資源的開發利用及生態環境保護提供理論基礎。地下水動力學的相關理論已廣泛應用于國民經濟和社會發展的多個方面，如居民生活和工農業生產的用水問題、地下工程的安全生產問題、場地土壤地下水污染修復問題、生態環境保護等，其成為保障社會經濟高質量發展，以及生態文明建設理論體系中不可或缺的一環［1］。

“地下水動力學”是地下水科學與工程、水文與水資源工程、水利工程等專業的核心課程［2-3］。由于課程內容比較多，并且涉及眾多的公式推導，因此課時量比較多，一般每學年36課時以上，南京大學的“地下水動力學”課程教學每學年高達90課時。同時，教學內容涉及若干專業的前沿科學問題，如非飽和帶地下水運動、巖溶裂隙介質地下水運動、地下水數值模擬等，專業前沿動態和本科教學的有機結合是該課程的教學特點之一。

南京大學“地下水動力學”課程歷史悠久，2005年成為南京大學的精品課程，2009年成為江蘇省精品課程，2010年成為國家精品課程，2018年被認定為南京大學“百層次”優質課程，2020年被認定為首批國家級一流本科課程（線下）［4］。隨著教學技術的快速發展，特別是新冠肺炎疫情暴發以來，對本科課程教學提出了更高的要求，線上線下混合式教學成為主流教學模式［5］。

筆者長期擔任南京大學“地下水動力學”課程的教學工作，基于多年來的教學探索與實踐，并結合近年來采取的線上線下混合式教學活動的實踐經驗，擬針對“地下水動力學”線上線下混合式教學改革與實踐進行初步探討。

一、地下水動力學傳統線下教學的不足

針對“地下水動力學”課程的特點，以及新形勢下的教學要求，傳統線下教學存在以下不足。

（一）難以滿足多元化的綜合測評需求

優化課程測評方式是當前教學改革的重要舉措之一，多元化綜合測評是目前課程測評的主要方式。常規的綜合測評思路是要淡化期末考試成績，重視學生平時的學習效果，如期中測試、課后作業的完成情況等。課堂教學通常包含若干個知識點，掌握學生對知識點的學習效果能夠及時反饋本次教學效果，并且可以隨堂做出針對性的調整。基于線上移動平臺，采用隨堂小測或課間小測能夠實現對教學效果的反饋。傳統的線下教學方式，難以掌握全體學生的學習效果并進行統計分析，特別是在課堂學生數量較多時，需要占有大量的課堂時間進行統計分析，缺乏可行性。

（二）學生難以理解復雜抽象的動力學過程

“地下水動力學”課程的核心教學內容是通過數學模型描述地下水流和污染物的運移過程。教學過程涉及眾多類型的數學模型，如不同類型的含水層、不同類型的抽水井等，且多為高階的偏微分方程。這些數學模型的解通常具有復雜、非線性的表達形式，學生難以直接觀察到這些數學模型及其解的性質與特征，這是教學的難點。因此，在傳統教學模式下，學生難以將這些數學模型與實際條件下的地下水運移過程對應起來進行理解。同時，采用多媒體技術可以展示數學模型及其解的部分特點，但這種教學方法具有單向性和片面性，難以互動，并且可展示的信息有限。由于無法互動反饋，只能被動接受，學生難以直觀、深刻地理解復雜數學模型背后蘊含的地下水運動機理，不利于學習思維的拓展。

（三）難以充分利用多元化的教學資源

隨著筆記本電腦、智能手機等電子產品的迅速普及，以及高速光纖、5G通信等技術的快速發展，慕課、微課、開放網絡視頻等互聯網資源具有了信息多樣、獲取便捷、操作簡單等特點，已經成為傳統教學方式的重要補充。同時，隨著學科發展的日新月異，教師或教學團隊無法全面掌握與課程內容相關的前沿動態。特別是對于“地下水動力學”課程，教學內容涉及的知識點大多為當前研究熱點，如非達西流理論、反常溶質運移理論、非飽和地下水運動等。因此，選用國內外學術同行的慕課，或高質量教學、科普視頻，或最新的科學研究成果，可以作為本教學團隊教學資源的有效補充，并且能夠開闊學生的專業視野和學習思路。

（四）難以應對新冠肺炎疫情防控要求下的授課要求

隨著新冠肺炎疫情在全球的暴發，疫情防控已成為現階段社會各級單位的重要任務。高校作為學生的聚集場所，生源通常來自全國各地，對新冠肺炎疫情防控有著更為嚴格的要求。在新學期的開始階段（多達數周至數月），通常采用線上教學方式，返校后期采用線下教學方式。采用錄播或直播等方式簡單地將線下教學模式搬到線上，脫離線下的教學環境，很難持續吸引學生的注意力。同時，在線上環境下，教師難以直接觀察到學生的學習狀態，互動效果不佳，容易導致教學效果不佳。

二、“地下水動力學”線上線下混合教學模式建設

線上線下混合式教學最早由Cooney等人于2000年提出［6］，至今，已廣泛應用于全球范圍內不同階段、不同行業的教育實踐中。據調查［7］，71%的美國教師在教學中使用線上線下混合式教學手段。線上線下混合式教學已經成為高等教育重要的教學手段及未來的發展趨勢［8］。

針對“地下水動力學”課程內容的特點及授課對象，結合已有的教學資源，本教學團隊的“地下水動力學”線上線下混合教學模式建設可分為以下幾個部分。

（一）基于在線教學移動平臺的互饋式課堂教學

采用在線教學移動平臺“教學立方”，掌握學生在課前、課中、課后的學習效果。（1）在課前發布與教學內容相關的學習資料（PPT、視頻等），并督促學生進行課前預習，并通過平臺監測學生的學習情況，如點擊次數、觀看時間等。（2）在平臺預先設計與教學重點和難點相關的測試題目，在教學過程中擇機進行課堂小測并設置測試時間（通常為1～2分鐘），隨后統計學生的測試成績，以了解學生對重要知識點的理解和掌握情況。根據測試統計結果進行針對性講解。（3）課堂教學結束后，在平臺發布課后作業并設置提交時間（通常為1～3天），以拓展教學內容并鞏固教學成果，并根據作業的完成情況進行針對性講解。同時，利用微信群、QQ群等即時通信工具，與學生交流討論學習過程中的各種問題，確保不留疑點。

（二）基于虛擬仿真實驗教學平臺的主動式探索學習

采用本教學團隊研發的2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目“地下水中污染物運移過程虛擬仿真實驗教學”，以及2021年度江蘇省高等學校虛擬仿真實驗教學項目“地下水污染修復的多目標優化設計虛擬仿真實驗”，引導學生主動探索學習。虛擬仿真實驗教學平臺針對實際復雜條件下的地下水污染物運移過程模擬、關鍵影響因素識別及修復方案設計等內容，通過交互式操作引導學生進行探索學習。這些教學內容屬于“地下水動力學”課程的教學重點和難點，通常需要較多的課時來學習，采用傳統的教學方式效率不高。

進入“地下水中污染物運移過程虛擬仿真實驗”教學平臺后，首先了解研究背景、基本水文地質條件等信息。其次操作建立地下水流模型系統，包括邊界條件、參數、源匯項、模擬時間等；操作建立污染物運移模型系統，包括邊界條件、泄漏量、污染物濃度、參數、模擬時間等；運行建立的模型系統，觀察得到的結果，包括地下水流場、污染物濃度場分布等。最后通過改變模型的設置條件，觀察條件（模型參數）變化對模擬結果的影響，從而認知地下水污染物運移過程的關鍵影響因素。完成習題后，提交實驗報告，分析實驗結果。

該教學平臺的主動式探索學習特點體現在以下幾方面：（1）根據課程前期的地下水動力學理論基礎，逐步進行地下水流模型和污染物運移模型的構建；（2）根據對水文地質參數和模型邊界條件的理解，自行進行模型參數的取值設置；（3）通過設置不同的參數取值，分析模擬結果（地下水位、污染物濃度）的變化，識別污染物運移過程的關鍵影響因素；（4）通過整理實驗操作過程和分析實驗結果，撰寫實驗報告，提升對地下水污染物運移動力學過程的理解。

（三）多元化教學資源的有機結合

中國大學MOOC（慕課）、國家精品課程等在線課程資源豐富多樣，獲取方式簡單快捷。針對一些教學難點，充分利用國內外精品教學資源，不僅能開闊學生的視野，還可以豐富教學方式，激發學生的學習興趣。

積極拓展線下教學資源，將課堂搬到室外。地下水動力學的研究對象是自然界的現象，傳統課程教學缺乏對自然現象的直觀觀察。基于野外專業實習基地、校內監測臺站等，通過實踐操作環節提高學生對自然現象的認識，加強專業理解。

針對一些難以直觀理解的復雜公式或復雜的參數、變量變化規律，利用專業領域內的先進技術，通過案例模擬的方式進行講授和演示。例如，承壓含水層完整井非穩定地下水運動中，水頭下降速度隨時間呈先增大后減小的規律，過程中存在一個臨界點（拐點）。若根據拐點理論公式，則難以直觀理解該過程，存在一定的學習難點問題。通過設計簡單案例進行仿真模擬，通過模擬結果直接顯示圖形。模擬結果直觀地顯示了拐點的概念，容易被學生理解。

（四）全過程多元化的綜合測評方式

通過“教學立方”平臺統計課前預習記錄、課堂小測完成記錄和課后作業完成記錄，并結合平時的考勤記錄、期中考試成績及期末考試成績，分別給這些記錄設置一定的權重，實現在課程教學全過程中多方位、多元化的綜合測評。綜合測評分數（S）由三部分組成，分別為平時測評分數（S1）、期中測評分數（S2）、期末測評分數（S3），S為這三部分的加權和，S、S1、S2、S3均為百分制。

平時測評分數S1由四部分組成，分別為考勤分數（S11）、課前預習綜合測評分數（S12）、課堂小測綜合測評分數（S13）及課后作業綜合測評分數（S14），S1為這四部分的加權和，S11～S14均為百分制。S12表示課前預習所有知識點完成情況的平均值，S13表示課堂小測所有知識點完成情況的平均值，S14表示課后作業所有知識點完成情況的平均值。

需要說明的是，在進行綜合測評分數（S）計算過程中所涉及的所有權重，均可根據實際情況進行調整。

結語

隨著信息技術的迅速發展，以及在社會的新形勢下，線上線下混合式教學成為高等學校教學改革的方向。針對傳統教學方式的不足，通過線上教學移動平臺實現了互饋式課堂教學，基于虛擬仿真實驗教學平臺引導學生進行了主動探索學習，同時有機整合多元化的線上線下資源進行針對性的拓展教學，采用全過程多元化的綜合測評方式評價了學生的學習效果。基于這些探索舉措，克服并接受新形勢下的教學困難和挑戰，緊抓“地下水動力學”課程的教學重點，化解教學難點，引導學生主動探索，開闊專業視野，實現教學全過程全方位的成效評估、互饋和提升。